化工原理課程設(shè)計(jì) 非標(biāo)準(zhǔn)系列管殼式氣體冷卻器的設(shè)計(jì).doc

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化工原理課程設(shè)計(jì) 作 者： 王書(shū)忍 學(xué) 號(hào)： 201006853 學(xué) 院： 化學(xué)與生物工程學(xué)院 專(zhuān) 業(yè)： 應(yīng)用化學(xué) 題 目： 非標(biāo)準(zhǔn)系列管殼式氣體冷卻器的設(shè)計(jì) 指導(dǎo)者： 陶彩虹老師 　 1 1 蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 化工原理課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū) 一、設(shè)計(jì)題目：非標(biāo)準(zhǔn)系列管殼式氣體冷卻器的設(shè)計(jì) 二、設(shè)計(jì)條件 1.生產(chǎn)能力：混合氣體流量為6000/h，混合氣的相對(duì)分子質(zhì)量為17. 2.混合氣進(jìn)口溫度為144.5℃，出口溫度為57℃，冷卻水入口溫度30℃，出口溫度36℃。 3．已知混合氣及冷卻水在定性溫度下的物性數(shù)據(jù)： 密度 （Kg/） 粘度 （mPa.s） 比熱容 （KJ/Kg.） 導(dǎo)熱系數(shù) (W/(m.)) 混合氣 0．925 0.0155 1.9 0.058 冷卻水 994.7 0.757 4.174 0.622 4.兩流體均無(wú)相變。 三、設(shè)計(jì)步驟及要求 1.確定設(shè)計(jì)方案 （1）選擇列管式換熱器的類(lèi)型 （2）選擇冷卻劑的類(lèi)型和進(jìn)出口溫度 （3）查閱介質(zhì)的物性參數(shù) （4）選擇冷熱流體流動(dòng)的空間及流速 2.初步估算換熱器的傳熱面積 3.初選換熱器規(guī)格 4.校核 （1）核算換熱器的傳熱面積，要求設(shè)計(jì)裕度不小于10%，不大于20%。 （2）核算管程和殼程的流體阻力損失。 如果不符合上述要求重新進(jìn)行以上計(jì)算 5.附屬結(jié)構(gòu)如封頭、管箱、分程隔板、緩沖板、拉桿和定距管、人孔或手孔、法蘭、補(bǔ)強(qiáng)圈等的選型 四、設(shè)計(jì)成果 1.設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（A4紙） （1）內(nèi)容包括封面、任務(wù)書(shū)、目錄、正文、參考文獻(xiàn)、附錄 （2）格式必須嚴(yán)格按照蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)的格式打印。 2.換熱器工藝條件圖（2號(hào)圖紙）（手繪） 五、時(shí)間安排 （1）第19周～第20周，于7月17號(hào)下午3點(diǎn)本人親自到指定地點(diǎn)交設(shè)計(jì)成果. 六、設(shè)計(jì)考核 （1）設(shè)計(jì)是否獨(dú)立完成； （2）設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)的編寫(xiě)是否規(guī)范 （3）工藝計(jì)算與圖紙正確與否以及是否符合規(guī)范 （4）答辯 七、參考資料 1.《化工原理課程設(shè)計(jì)》 賈紹義 柴誠(chéng)敬 天津科學(xué)技術(shù)出版社 2.《換熱器設(shè)計(jì)手冊(cè)》 化學(xué)工業(yè)出版社 3.《化工原理》 夏清 天津科學(xué)技術(shù)出版社 目錄 1.摘要 1 2.文獻(xiàn)綜述 2 2.1熱量傳遞的概念與意義 2 2.1.1熱量傳遞的概念 2 2.1.2. 化學(xué)工業(yè)與熱傳遞的關(guān)系 2 2.1.3.傳熱的基本方式 2 2.2換熱器簡(jiǎn)介 3 2.2.1固定管板式換熱器 3 2.2.2浮頭式換熱器 3 2.2.3 U形管式換熱器 4 2.3 列管式換熱器設(shè)計(jì)一般要求 5 2.4 流體流徑的選擇 6 2.5管殼式換熱器 6 2.5.1工作原理 6 2.5.2主要技術(shù)特性 7 3.工藝計(jì)算 8 3.1 確定設(shè)計(jì)方案 8 3.1.1確定流體的定性溫度 8 3.1.2選擇列管式換熱器的形式 8 3.1.3確定流體在換熱器中的流動(dòng)途徑 8 3.2設(shè)計(jì)參數(shù) 8 3.3計(jì)算總傳熱系數(shù) 8 3.3.1.熱流量 9 3.3.2冷卻水用量 9 3.3.3計(jì)算傳熱面積 9 3.3.4工藝結(jié)構(gòu)尺寸 9 3.3.5傳熱計(jì)算 10 3.3.6換熱器內(nèi)流體的流動(dòng)阻力 12 4.換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計(jì)算結(jié)果 15 5.參考文獻(xiàn) 16 6.附錄 17 6.1英文字母 17 6.2 希臘字母 17 6.3下標(biāo) 17 1.摘要 熱量傳遞不僅是化工、能源、宇航、冶金、機(jī)械、石油、動(dòng)力、食品、國(guó)防等各工業(yè)部門(mén)重要的單元操作之一，它還在農(nóng)業(yè)、環(huán)境保護(hù)等其他部門(mén)中廣泛涉及。作為該單元操作的設(shè)備——換熱器在化工、煉油裝置中所占的比例，在建設(shè)費(fèi)用方面達(dá)20%-50%之多。因此，無(wú)論從能源的利用，還是從工廠的效益來(lái)看，合理地選擇和設(shè)計(jì)換熱器，都具有重要的意義。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對(duì)能源利用，開(kāi)發(fā)和節(jié)約的要求不斷提高，因而對(duì)換熱器的要求也日益增強(qiáng)，換熱器的設(shè)計(jì)、制造、結(jié)構(gòu)改進(jìn)及傳熱機(jī)理等方面的研究也日益活躍。 在諸多類(lèi)型的換熱器中以間壁式的應(yīng)用最為普遍。此類(lèi)換熱器中，以管殼式應(yīng)用最廣。本設(shè)計(jì)的任務(wù)就是完成一個(gè)滿足生產(chǎn)要求的管殼式換熱器的設(shè)計(jì)或選型。 管殼式換熱器設(shè)計(jì)或選型的核心是計(jì)算換熱器的傳熱面積，進(jìn)而確定換熱器的其他尺寸或選擇換熱器的型號(hào)。由總傳熱速率方程可知，要計(jì)算換熱器的傳熱面積，得確定總傳熱系數(shù)和平均溫度差。由于總傳熱系數(shù)與換熱器的類(lèi)型、尺寸、流體流道等諸多因素有關(guān)，而平均溫度差與兩流體的流向、輔助物料終溫的選擇等有關(guān)，因此管殼式換熱器設(shè)計(jì)或選型需考慮許多問(wèn)題，通過(guò)多次試算和比較才能設(shè)計(jì)出適宜的換熱器。 換熱器的工藝設(shè)計(jì)計(jì)算有兩種類(lèi)型，即設(shè)計(jì)計(jì)算和校核計(jì)算，包括計(jì)算換熱面積和造型兩方面。設(shè)計(jì)計(jì)算的目的是根據(jù)給定的工作條件及熱負(fù)荷，選擇一種適當(dāng)?shù)膿Q熱器類(lèi)型，確定所需的換熱面積，進(jìn)而確定換熱器的具體尺寸。校核計(jì)算的目的則是對(duì)已有的換熱器校核它是否滿足預(yù)定要求，這是屬于換熱器性能計(jì)算問(wèn)題。無(wú)論是設(shè)計(jì)計(jì)算還是校核計(jì)算，所需的數(shù)據(jù)包括結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)、工藝數(shù)據(jù)和物性數(shù)據(jù)三大類(lèi)。其中結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的選擇在換熱器設(shè)計(jì)中最為重要。對(duì)于列管式換熱器的設(shè)計(jì)包括殼體形式、管程數(shù)、管子類(lèi)型、管長(zhǎng)、管子排列形式、折流板形式、冷熱流體流動(dòng)通道等方面的選擇。工藝數(shù)據(jù)包括冷熱流體的流量、進(jìn)出口溫度、進(jìn)口壓力、允許壓力降及污垢系數(shù)。物性數(shù)據(jù)包括冷熱流體在進(jìn)出口溫度或定性溫度下的的密度、比熱容、粘度、導(dǎo)熱系數(shù)等。 本設(shè)計(jì)針對(duì)乙醇冷凝的問(wèn)題選擇一個(gè)滿足工藝要求的標(biāo)準(zhǔn)系列換熱器。通過(guò)對(duì)蘭州地區(qū)水資源情況、常年氣溫情況、水價(jià)、水質(zhì)等綜合考慮，最后確定冷卻水的用量、進(jìn)出口溫差等。并根據(jù)工藝過(guò)程所規(guī)定的條件，如傳熱量、流體的熱力學(xué)參數(shù)以及在該參數(shù)下的物性進(jìn)行熱力學(xué)和流體力學(xué)計(jì)算，然后進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)系列換熱器的選型及校核。 2.文獻(xiàn)綜述 2.1熱量傳遞的概念與意義 2.1.1熱量傳遞的概念 熱量傳遞是指由于溫度差引起的能量轉(zhuǎn)移，簡(jiǎn)稱(chēng)傳熱。由熱力學(xué)第二定律可知，在自然界中凡是有溫差存在時(shí)，熱就必然從高溫處傳遞到低溫處，因此傳熱是自然界和工程技術(shù)領(lǐng)域中極普遍的一種傳遞現(xiàn)象。 2.1.2. 化學(xué)工業(yè)與熱傳遞的關(guān)系 化學(xué)工業(yè)與傳熱的關(guān)系密切。這是因?yàn)榛どa(chǎn)中的很多過(guò)程和單元操作，多需要進(jìn)行加熱和冷卻，例如：化學(xué)反應(yīng)通常要在一定的溫度進(jìn)行，為了達(dá)到并保持一定溫度，就需要向反應(yīng)器輸入或輸出熱量；又如在蒸發(fā)、蒸餾、干燥等單元操作中，都要向這些設(shè)備輸入或輸出熱量。此外，化工設(shè)備的保溫，生產(chǎn)過(guò)程中熱能的合理利用以及廢熱的回收利用等都涉及到傳熱的問(wèn)題，由此可見(jiàn)；傳熱過(guò)程普遍的存在于化工生產(chǎn)中，且具有極其重要的作用?？傊?，無(wú)論是在能源，宇航，化工，動(dòng)力，冶金，機(jī)械，建筑等工業(yè)部門(mén)，還是在農(nóng)業(yè)，環(huán)境等部門(mén)中都涉及到許多有關(guān)傳熱的問(wèn)題。 應(yīng)予指出，熱力學(xué)和傳熱學(xué)既有區(qū)別又有聯(lián)系。熱力學(xué)不研究引起傳熱的機(jī)理和傳熱的快慢，它僅研究物質(zhì)的平衡狀態(tài)，確定系統(tǒng)由一個(gè)平衡狀態(tài)變成另一個(gè)平衡狀態(tài)所需的總能量；而傳熱學(xué)研究能量的傳遞速率，因此可以認(rèn)為傳熱學(xué)士熱力學(xué)的擴(kuò)展。 2.1.3.傳熱的基本方式 根據(jù)載熱介質(zhì)的不同，熱傳遞有三種基本方式： （1）熱傳導(dǎo)（又稱(chēng)導(dǎo)熱） 物體各部分之間不發(fā)生相對(duì)位移，僅借分子、原子和自由電子等微觀粒子的熱運(yùn)動(dòng)而引起的熱量傳遞稱(chēng)為熱傳導(dǎo)。熱傳導(dǎo)的條件是系統(tǒng)兩部分之間存在溫度差。 （2）熱對(duì)流（簡(jiǎn)稱(chēng)對(duì)流） 流體各部分之間發(fā)生相對(duì)位移所引起的熱傳遞過(guò)程稱(chēng)為熱對(duì)流。熱對(duì)流僅發(fā)生在流體中，產(chǎn)生原因有二：一是因流體中各處溫度不同而引起密度的差別，使流體質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生相對(duì)位移的自然對(duì)流；二是因泵或攪拌等外力所致的質(zhì)點(diǎn)強(qiáng)制運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)制對(duì)流。此外，流體流過(guò)固體表面時(shí)發(fā)生的對(duì)流和熱傳導(dǎo)聯(lián)合作用的傳熱過(guò)程，即是熱由流體傳到固體表面（或反之）的過(guò)程，通常稱(chēng)為對(duì)流傳熱。 （3）熱輻射 因熱的原因而產(chǎn)生的電磁波在空間的傳遞稱(chēng)為熱輻射。熱輻射的特點(diǎn)是：不僅有能量的傳遞，而且還有能量的轉(zhuǎn)移。 2.2換熱器簡(jiǎn)介 換熱器就是用于存在溫度差的流體間的熱交換設(shè)備，換熱器中至少有兩種流體，溫度較高則放出熱量，反之則吸收熱量。換熱器依據(jù)傳熱原理和實(shí)現(xiàn)熱交換的方法一般分為間壁式、混合式、蓄熱式三類(lèi)。其中間壁式換熱器應(yīng)用最廣。它又可分為管式換熱器、板式換熱器、翅片式換熱器、熱管換熱器等。其中以管式（包括蛇管式、套管式、管殼式等）換熱器應(yīng)用最普遍。列管式和板式，各有優(yōu)點(diǎn)，列管式是一種傳統(tǒng)的換熱器，廣泛應(yīng)用于化工、石油、能源等設(shè)備;板式則以其高效、緊湊的特點(diǎn)大量應(yīng)用于工業(yè)當(dāng)中。 2.2.1固定管板式換熱器 一般適用于殼體與管束間的溫度差低于50℃，殼程壓力小于6kgf/cm2的情況。這種換熱器具有結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單、造價(jià)低廉的優(yōu)點(diǎn)；但其缺點(diǎn)是因管束不能抽出而使殼程清洗困難，因此要求殼程的流體應(yīng)是較清潔且不易結(jié)垢的物料。固定管板式換熱器的兩端和殼體連為一體，管子則固定于管板上，它的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；在相同的殼體直徑內(nèi)，排管較多，比較緊湊；由于這種結(jié)構(gòu)使殼側(cè)清洗困難，所以殼程宜用于不易結(jié)垢和清潔的流體。當(dāng)管束和殼體之間的溫差太大而產(chǎn)生不同的熱膨脹時(shí)，常會(huì)使管子與管板的接口脫開(kāi)，從而發(fā)生介質(zhì)的泄露。為此常在外殼上焊一膨脹節(jié)，但它僅能減小而不能完全消除由于溫差而產(chǎn)生的熱應(yīng)力，且在多程換熱器中，這種方法不能照顧到管子的相對(duì)移動(dòng)。由此可見(jiàn)，這種換熱器比較適合用于溫差不大或溫差較大但殼程壓力不高的場(chǎng)合。 2.2.2浮頭式換熱器 其優(yōu)點(diǎn)是，當(dāng)殼體與管束因溫度不同而引起熱膨脹時(shí)，管束連同浮頭就可在殼體內(nèi)自由伸縮，而與殼體無(wú)關(guān)，從而解決熱補(bǔ)償問(wèn)題。另外，由于固定端的管板是以法蘭與殼體相連接的，因此管束可以從殼體中抽出，便于清洗和檢修，所以浮頭式換熱器應(yīng)用較為普遍，其缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，金屬消耗量多，造價(jià)較高。 2.2.3 U形管式換熱器 這種型式換熱器結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，重量輕，適用于高溫和高壓的情況。其主要缺點(diǎn)是管程清洗比較困難，且因管子有一定彎曲半徑，管板利用率較低，管程不易清洗，因此管程流體必須清潔。列管式換熱器的設(shè)計(jì)資料較完善，已有系列化標(biāo)準(zhǔn)。目前我國(guó)列管式換熱器的設(shè)計(jì)、制造、檢驗(yàn)、驗(yàn)收按“鋼制管殼式（即列管式）換熱器”（GB151）標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。列管式換熱器的設(shè)計(jì)和分析包括熱力設(shè)計(jì)、流動(dòng)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及強(qiáng)度設(shè)計(jì)。其中以熱力設(shè)計(jì)最為重要。不僅在設(shè)計(jì)一臺(tái)新的換熱器時(shí)需要進(jìn)行熱力設(shè)計(jì)，而且對(duì)于已生產(chǎn)出來(lái)的，甚至已投產(chǎn)使用的換熱器在檢驗(yàn)它是否滿足使用要求時(shí)，均需進(jìn)行這方面的工作。 列管式換熱器的工藝設(shè)計(jì)主要包括以下內(nèi)容： （1）根據(jù)換熱任務(wù)和有關(guān)要求確定設(shè)計(jì)方案； （2）初步確定換熱器的結(jié)構(gòu)和尺寸； （3）核算換熱器的傳熱面積和流動(dòng)阻力； （4）確定換熱器的工藝結(jié)構(gòu)。 表1——換熱器結(jié)構(gòu)分類(lèi) 類(lèi)　 型 特　 點(diǎn) 間 壁 式 管 殼 式 列管式 固定管板式 剛性結(jié)構(gòu) 用于管殼溫差較小的情況（一般≤50℃），管間不能清洗 帶膨脹節(jié) 有一定的溫度補(bǔ)償能力，殼程只能承受低壓力 浮頭式 管內(nèi)外均能承受高壓，可用于高溫高壓場(chǎng)合 U型管式 管內(nèi)外均能承受高壓，管內(nèi)清洗及檢修困難 填料函式 外填料函 管間容易泄漏，不宜處理易揮發(fā)、易爆炸及壓力較高的介質(zhì) 內(nèi)填料函 密封性能差，只能用于壓差較小的場(chǎng)合 釜式 殼體上部有個(gè)蒸發(fā)空間用于再沸、蒸煮 雙套管式 結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，主要用于高溫高壓場(chǎng)合和固定床反應(yīng)器中 套管式 能逆流操作，用于傳熱面較小的冷卻器、冷凝器或預(yù)熱器 螺旋管式 沉浸式 用于管內(nèi)流體的冷卻、冷凝或管外流體的加熱 噴淋式 只用于管內(nèi)流體的冷卻或冷凝 板面式 板式 拆洗方便，傳熱面能調(diào)整，主要用于粘性較大的液體間換熱 螺旋板式 可進(jìn)行嚴(yán)格的逆流操作，有自潔的作用，可用作回收低溫?zé)崮? 平板式 結(jié)構(gòu)緊湊，拆洗方便，通道較小、易堵，要求流體干凈 板殼式 板束類(lèi)似于管束，可抽出清洗檢修，壓力不能太高 混合式 適用于允許換熱流體之間直接接觸 蓄熱式 換熱過(guò)程分階段交替進(jìn)行，適用于從高溫爐氣中回收熱能的場(chǎng)合 2.3 列管式換熱器設(shè)計(jì)一般要求 列管式換熱器的設(shè)計(jì)資料較完善，已有系列化標(biāo)準(zhǔn)。目前我國(guó)列管式換熱器的設(shè)計(jì)、制造、檢驗(yàn)、驗(yàn)收按“鋼制管殼式（即列管式）換熱器”（GB151）標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。 列管式換熱器的設(shè)計(jì)和分析包括熱力設(shè)計(jì)、流動(dòng)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及強(qiáng)度設(shè)計(jì)。其中以熱力設(shè)計(jì)最為重要。不僅在設(shè)計(jì)一臺(tái)新的換熱器時(shí)需要進(jìn)行熱力設(shè)計(jì)，而且對(duì)于已生產(chǎn)出來(lái)的，甚至已投產(chǎn)使用的換熱器在檢驗(yàn)它是否滿足使用要求時(shí)，均需進(jìn)行這方面的工作。 2.4 流體流徑的選擇 哪一種流體流經(jīng)換熱器的管程，哪一種流體流經(jīng)殼程，可以根據(jù)以下方法選擇（固定管板式換熱器） 1、不潔凈和易結(jié)垢的流體易走管內(nèi)，以便于清洗管子。 2、腐蝕性的流體易走管內(nèi)，以免殼體和管子同時(shí)受腐蝕，而且管子也便于清洗和檢修。 3、壓強(qiáng)高的流體易走管內(nèi)，以免殼體受壓。 4、飽和蒸汽易走管間，以便于及時(shí)排除冷凝液，且蒸汽較潔凈，冷凝傳熱系數(shù)與流速關(guān)系不大。 5、可利用外殼向外散熱的作用，以增強(qiáng)冷卻效果。 6、需要提高流速以增大其對(duì)流傳熱系數(shù)的流體易走管內(nèi)，因管程流通面積常小于殼程，且可采用多管程以增大流速。 7、粘度大的液體或流量較小的流體，易走管內(nèi)，因流體在有折流擋板的殼程流動(dòng)時(shí)，由于流速和流向的不斷改變，在低Re下即可達(dá)到湍流，以提高對(duì)流傳熱系數(shù)。 在選擇流體流徑時(shí)，上述各點(diǎn)常不能同時(shí)兼顧，應(yīng)視具體情況抓住主要矛盾。 2.5管殼式換熱器 管殼式換熱器是目前應(yīng)用最為廣泛的一種換熱器。它包括:固定管板式換熱器、U 型管殼式換熱器、帶膨脹節(jié)式換熱器、浮頭式換熱器、分段式換熱器、套管式換熱器等。管殼式換熱器由管箱、殼體、管束等主要元件構(gòu)成。管束是管殼式換熱器的核心，其中換熱管作為導(dǎo)熱元件，決定換熱器的熱力性能。另一個(gè)對(duì)換熱器熱力性能有較大影響的基本元件是折流板（或折流桿）。管箱和殼體主要決定管殼式換熱器的承壓能力及操作運(yùn)行的安全可靠性。 2.5.1工作原理 管殼式換熱器和螺旋板式換熱器、板式換熱器一樣屬于間壁式換熱器，其換熱管內(nèi)構(gòu)成的流體通道稱(chēng)為管程，換熱管外構(gòu)成的流體通道稱(chēng)為殼程。管程和殼程分別通過(guò)兩不同溫度的流體時(shí)，溫度較高的流體通過(guò)換熱管壁將熱量傳遞給溫度較低的流體，溫度較高的流體被冷卻，溫度較低的流體被加熱，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)兩流體換熱工藝目的。 2.5.2主要技術(shù)特性 一般管殼式換熱器與其它類(lèi)型的換熱器比較有以下主要技術(shù)特性： 1、耐高溫高壓，堅(jiān)固可靠耐用； 2、制造應(yīng)用歷史悠久，制造工藝及操作維檢技術(shù)成熟； 3、選材廣泛，適用范圍大。 2.5.3管板式換熱器的優(yōu)點(diǎn) (1) 換熱效率高,熱損失小 在最好的工況條件下, 換熱系數(shù)可以達(dá)到6000W/ m2K, 在一般的工況條件下, 換熱系數(shù)也可以在3000～4000 W/ m2K左右,是管殼式換熱器的3～5倍。設(shè)備本身不存在旁路,所有通過(guò)設(shè)備的流體都能在板片波紋的作用下形成湍流,進(jìn)行充分的換熱。完成同一項(xiàng)換熱過(guò)程, 板式換熱器的換熱面積僅為管殼式的1/ 3～1/ 4。 (2) 占地面積小重量輕 除設(shè)備本身體積外, 不需要預(yù)留額外的檢修和安裝空間。換熱所用板片的厚度僅為0. 6～0. 8mm。同樣的換熱效果, 板式換熱器比管殼式換熱器的占地面積和重量要少五分之四。 (3) 污垢系數(shù)低 流體在板片間劇烈翻騰形成湍流, 優(yōu)秀的板片設(shè)計(jì)避免了死區(qū)的存在, 使得雜質(zhì)不易在通道中沉積堵塞,保證了良好的換熱效果。 (4) 檢修、清洗方便 換熱板片通過(guò)夾緊螺柱的夾緊力組裝在一起,當(dāng)檢修、清洗時(shí), 僅需松開(kāi)夾緊螺柱即可卸下板片進(jìn)行沖刷清洗。 (5) 產(chǎn)品適用面廣 設(shè)備最高耐溫可達(dá)180 ℃, 耐壓2. 0MPa , 特別適應(yīng)各種工藝過(guò)程中的加熱、冷卻、熱回收、冷凝以及單元設(shè)備食品消毒等方面, 在低品位熱能回收方面, 具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益。各類(lèi)材料的換熱板片也可適應(yīng)工況對(duì)腐蝕性的要求.當(dāng)然板式換熱器也存在一定的缺點(diǎn), 比如工作壓力和工作溫度不是很高, 限制了其在較為復(fù)雜工況中的使用。同時(shí)由于板片通道較小,也不適宜用于雜質(zhì)較多,顆粒較大的介質(zhì)。 3.工藝計(jì)算 3.1 確定設(shè)計(jì)方案 3.1.1確定流體的定性溫度 冷卻劑為自來(lái)水，取入口溫度為30℃，出口溫度為36℃. 混合氣：入口溫度為144.5℃（g），出口溫度為57℃（g）. 水的定性溫度：tm=（30+36）/2=33℃. 混合氣的定性溫度：Tm=（144.5+57）/2=100.75℃. 兩流體的溫度差：Tm - tm=100.75-33=67.75℃. 3.1.2選擇列管式換熱器的形式 兩流體的溫差較大，故選用板管式換熱器. 3.1.3確定流體在換熱器中的流動(dòng)途徑 由于氣體的壓強(qiáng)高，則混合氣走管程，冷卻水走殼程。. 3.2設(shè)計(jì)參數(shù) 確定物性參數(shù) 混合氣的定性溫度：T=(57+144.5)/2=100.75 ℃ ???? 密度????????? ρi＝0.925kg/m3 定壓比熱容??? Cpi＝1.9kJ/kg℃ 熱導(dǎo)率??????? λi＝0.058W/m℃ 粘度????????? μi＝0.0155mPa﹒s 水的定性溫度：t=(36+30)/2=33℃ 密度????????? ρo＝994.7kg/m3? 定壓比熱容??? Cpo＝4.174kJ/kg℃ 熱導(dǎo)率??????? λo＝0.622W/ m℃ 粘度???????? μi＝0.757m Pa﹒s 3.3計(jì)算總傳熱系數(shù) 3.3.1.熱流量 Q=WhCp h(T1-T2)=6000×0.925×1.9×(144.5-57) kJ/h=256302.1W 平均傳熱溫差 △tm1=(△t1-△t2)/㏑(△t1/△t2)=(108.5-27)/㏑(108.5/27) 式中：△t1 =T1-t2=108.5℃ ,△t2 =T2-t1=27℃ 求得△tm=58.59℃ 3.3.2冷卻水用量 W0=Q/△t Cp o＝36842.66(kg/h) 平均傳熱溫差校正系數(shù) 按單殼程，奇數(shù)管程結(jié)構(gòu)，溫差校正系數(shù)查有關(guān)圖表，可得 ψ△t=0.0.98 平均傳熱溫差 △tm=ψ△t △tm1=0.98×58.59=57.42℃ 3.3.3計(jì)算傳熱面積 求傳熱面積需要先知道K值，根據(jù)資料查得混合氣和水之間的傳熱系數(shù)取K值為125W/(㎡.℃)計(jì)算 由Q=KS`△tm 得 設(shè)實(shí)際的面積S=1.2 S,=42m2 3.3.4工藝結(jié)構(gòu)尺寸 在決定管數(shù)和管長(zhǎng)時(shí)，首先要選定管內(nèi)流速u(mài)i，按書(shū)中表6-1冷卻水走管程的流速為5—30m/s，取流速為ui=27m/s，設(shè)所需單管程數(shù)為ns，選用￠ 25mmX2.5mm傳熱管（碳鋼）的內(nèi)徑為0.020m，從管內(nèi)體積流量 計(jì)算求得： 管長(zhǎng) 則取3m 管程 所以 此換熱器是的總管數(shù) 根） ( 197 197 1 = ′ = n 管子采用正三角形排列，相鄰兩管中心距 t =1.25 d0 =0.03125m, 橫過(guò)管束中心線的管數(shù) b, =1.2×d0=0.03m 殼體內(nèi)徑D 折流板間距 B=0.5D = 265mm 折流板數(shù) NB =3÷0.25-1=11（塊） 殼程流體進(jìn)出口接管，取u=1.0m/s 3.3.5傳熱計(jì)算 （1）管程給熱系數(shù)。 32094.5 0000155 . 0 925 . 0 89 . 26 02 . 0 Re = ′ ′ = = m r i i u d 計(jì)算： 普蘭特準(zhǔn)數(shù) c m w d i ° = ′ ′ = ′ = 2 3 . 0 8 . 0 3 . 0 8 . 0 i / 3 . 219 508 . 0 32094 02 . 0 058 . 0 023 . 0 Pr Re 023 . 0 l a 管程傳熱系數(shù) （2）殼程傳熱系數(shù)， 流體通過(guò)管間的最大截面積 A=BD(1-d0/h)=0.265×0.53×0.2=0.026m2 流體的流速 u0=V0/A0=0.0103÷0.026=0.4m/s 水利半徑 雷諾準(zhǔn)數(shù) 9460.8 000757 . 0 7 . 994 40 . 0 02 . 0 Re 0 = ′ ′ = = m r u d e 普蘭特準(zhǔn)數(shù) 粘度校正 ()≈1.05 即 取Rsi=1.8×10-4 W/(㎡.℃); Rs0=3.4×10-4W/(㎡.℃) 總傳熱系數(shù)K＇ K＇= 9 . 3451 1 10 4 . 3 20 25 10 8 . 1 8 . 213 02 . 0 025 . 0 1 4 4 + ′ + ′ ′ + ′ - - =152W/(㎡.℃) 在1.15到1.25之間，滿足要求。 傳熱面積S 2 5 . 29 13 . 57 0 . 152 1 . 256302 m t K Q S m = ′ = D = 該換熱器的實(shí)際傳熱面積Sp Sp=πd0L(n-nc)=3.14×0.0265×(3-0.06)×(197-16)=41.8m2 ° ° = - = - = / 40 . 29 8 . 41 5 . 29 8 . 41 p p S S S 裕度 與換熱器列出的面積S=29.5㎡比較，有29.40%的裕度。 3.3.6換熱器內(nèi)流體的流動(dòng)阻力 （1）管程流動(dòng)阻力 管程流通面積 2 2 2 062 . 0 197 02 . 0 4 14 . 3 4 m N n d A p i i = ′ ′ = ′ = p 管程流體流速 s m A V u i i i / 89 . 26 062 . 0 667 . 1 = = = 由Re=32094.5 傳熱管相對(duì)粗糙度， 查莫狄圖得摩擦系數(shù) c m W o i / 035 . 0 = l , 結(jié)構(gòu)校正因數(shù)： 管程流動(dòng)阻力 上式中：， Np=1,1.4，， 所以 Pa p 7 . 1755 2 89 . 26 925 . 0 02 . 0 3 034 . 0 2 1 = ′ ′ ′ = D 滿足要求 （2）殼程流動(dòng)阻力 取折流板間距B=0.265m 計(jì)算截面積 流體流速 s m u / 31 . 0 0330 . 0 0103 . 0 0 = = 雷諾準(zhǔn)數(shù) 8410 10 757 . 0 7 . 994 31 . 0 02 . 0 Re 3 0 0 = ′ ′ ′ = = - m r u d e Re0＞500 摩擦系數(shù) 殼程阻力損失 流經(jīng)管束的阻力 ，NB =11,u0=0.32m/s F=0.5 故， Pa P 2937 2 31 . 0 7 . 994 ) 1 11 ( 16 64 . 0 5 . 0 2 ' 1 = ′ ′ + ′ ′ ′ = D 流體流經(jīng)折流板口的阻力 上式中：B=0.265m,D=0.53m 故， 總阻力損失 Pa P 5530 15 . 1 ) 1872 2937 ( 0 = ′ + = D ? 總的阻力損失大于5245Pa小于設(shè)計(jì)壓力30KPa，壓力降合適。 4.換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計(jì)算結(jié)果 參數(shù) 管程 殼程 操作條件 物料名稱(chēng) 混合氣 冷卻水 流量（kg/h） 5550 36842.66 操作溫度（進(jìn)/出）(℃) 144.5/57 30/36 操作壓力（Mpa） 0.01 0.01 物性參數(shù) 定性溫度(℃) 100.75 33 密度（kg/m3） 0.925 994.5 黏度 (mPa·s) 0.0155 0.757 比熱容(kJ/kg·℃) 1.9 4.17 導(dǎo)熱系數(shù)（W/(m·℃)） 0.058 0.622 主要工藝性能參數(shù) 流速 （m/s） 26.89 0.4 對(duì)流傳熱系數(shù)（W/(m2·℃)） 219.3 3451.9 污垢熱阻（(m2·℃)/ W） 0.00018 0.00034 阻力損失（Mpa） 3862.6 5530 熱負(fù)荷（W） 156302.1 總傳熱系數(shù)（W/(m2·℃)） 152 傳熱面積（m2） 29.5 設(shè)計(jì)裕度（%） 29.4℅ 設(shè)備結(jié)構(gòu)參數(shù) 換熱器型式 管板式 材質(zhì) 碳鋼 碳鋼 程數(shù) 1 1 管子規(guī)格 Φ25×2.5mm 殼體內(nèi)徑 520mm 管長(zhǎng)（mm） 3000 折流擋板型式 上下 管心距（mm） 30 折流擋板數(shù)目（塊） 16 管子排列方式 正三角形 折流擋板間距（mm） 265 管子數(shù)目（根） 197 5.參考文獻(xiàn) [1] 賈紹義,柴誠(chéng)敬主編.化工原理課程設(shè)計(jì)[M].天津:天津大學(xué)出版社,2002:47—51． [2] 柴誠(chéng)敬主編.化工原理（第二版）[M].北京：高等教育出版社，2005:209—271. [3] 申迎華,郝曉剛主編.化工原理課程設(shè)計(jì)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009:86—89. [4] 劉光啟,馬連湘,劉杰主編.化學(xué)化工物性數(shù)據(jù)手冊(cè):有機(jī)卷［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2002:599－ 600． [5] 周濤主編.化工原理.北京：科學(xué)出版社，2010.6. 6.附錄 6.1英文字母 17 ——污垢熱阻 ——平均傳熱溫差 W——質(zhì)量流量 ——定壓比熱容 (KJ/Kg·℃) T——熱流體溫度 t——冷流體溫度 P , R——因數(shù) S ——傳熱面積 Q——傳熱速率 W A——傳熱面積 n——管數(shù) ——結(jié)構(gòu)校正系數(shù) ——?dú)こ虊簭?qiáng)降的結(jié)垢校正系數(shù) F——管子排列方法對(duì)壓強(qiáng)降的校正系數(shù) ——串聯(lián)的殼程數(shù) N——程數(shù) d——管徑 m ——體積流量 u——流速 ——傳熱系數(shù) F——校正系數(shù) B——擋板間距 m h——折流板圓缺高度 m K——總傳熱系數(shù) (W/m2·K) L——長(zhǎng)度 m P——壓強(qiáng) Pa ——當(dāng)量長(zhǎng)度 m D——換熱器內(nèi)徑 mm Re——雷諾準(zhǔn)數(shù) Pr——普朗特準(zhǔn)數(shù) 6.2 希臘字母 ——對(duì)流傳熱系數(shù) (W/m2·K) ——導(dǎo)熱系數(shù) (W/m2·K) ——粘度 Pa·s ——密度 6.3下標(biāo) ——熱流體 ——冷流體 ——管內(nèi) ——管外 s——污垢 t——傳熱 ——溫度